基于环流注入控制的MMC型固态变压器低压直流真双极运行方案

多端口固态变压器(solid state transformer,SST)是多电压等级交直流混合配电网的核心设备。模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)型SST可构建中压交流、中压直流和低压直流等端口,其中压直流端口可接入中压直流配电网及构成多区域交流配电网的柔性互联,从而提升区域网络间功率灵活调节能力。对于低压侧,具有不平衡运行能力的真双极直流母线能够满足低压用户对多电压等级、供电可靠及用电安全等需求,而常规的MMC-SST仅能提供单极或伪双极低压直流端口。因此,文中提出一种真双极型MMC-SST拓扑及基于主动环流注入的桥臂电压平衡优化运行方案,该结构同时具备中压交流、中压直流及低压真双极直流等端口。文中的主要工作包括:简述真双极型MMC-SST连接方式,并基于能量平衡原理,探索低压真双极运行工作机理;建立基于环流的动态模型,揭示双极不平衡功率、桥臂电容电压及环流之间的耦合关系;基于环流注入的稳态模型,获得基于主动环流注入的桥臂电压平衡运行方法,并优化注入环流的幅值和相位;提出基于环流主动注入的桥臂电容电压平衡控制策略。最后,搭建2MVA的MMC-SST仿真模型及4.8kVA的MMC-SST实验样机,验证所提拓扑及控制的可行性和有效性。     

具备直流短路故障阻断能力的子模块桥臂复用型模块化多电平固态变压器

模块化多电平换流器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)由于具备多电压等级、多电压形态的端口,在交直流混合配电网中得到广泛关注。传统的输入串联输出并联(inputseriesoutput parallel,ISOP)型MMC-SST具有较高的功率密度,但是在中压直流(medium voltage DC,MVDC)端口短路故障情况下无法持续向低压侧供电;双向有源全桥变换器(dualactive bridge,DAB)型MMC-SST则存在功率密度低、成本高等问题,并且传统的半桥结构的DAB型MMC-SST在MVDC端口短路故障情况下同样无法持续向低压侧供电。文章提出了一种子模块桥臂复用(arm integrated submodule,AISM)型MMC-SST拓扑,在不改变MMC-SST端口电气特性的情况下,在有效减少开关器件数量的同时,还使得SST具备中压直流端口短路故障下的不间断运行能力,进而提升SST的功率密度和供电可靠性。针对文中提出的AISM型MMCSST拓扑,该文还...     

基于电压平衡器的固态变压器及其控制策略研究

固态变压器是交直流混合配电网的核心装置。针对低压直流配电网一般采用双极性供电的特点,提出了一种基于电压平衡器的固态变压器拓扑。所提拓扑的中间级DC/DC包括输入半桥、双有源桥和电压均衡3部分,结合其运行模式给出了各部分的控制策略。为了分析系统的大信号稳定性并加快仿真速度,给出了中间级DC/DC子模块的大信号回转器模型,并采用仿真方法验证了所提拓扑和控制策略的有效性。所提出的基于电压均衡器的固态变压器具有多个电压端口,能够与中高压电网及低压电网相连,提供自身用电或组网运行。     

磁集成三端口电力电子变压器的改进控制方法

针对现有多端口电力电子变压器磁性元件体积大、功率变换单元多、成本高的问题,提出基于磁集成的三端口拓扑及控制策略。将传统拓扑的6个桥臂电感和大量的高频变压器集成为3个集成变压器,从而减小磁性元件体积。在变压器副边绕组接1个三相桥即可构建低压直流端口,极大地减少功率变换单元数目。利用桥臂电压的直流、工频和高频分量分别控制中压直流、中压交流和低压直流端口功率,实现多端口功率调控。为提高中压直流端口电能质量,将桥臂电压的高频分量设计为三相对称的六阶梯波,使其激发的电流分量在三相回路中相互抵消,从而实现中压直流端口高频电流纹波消除。最后,建立了4 MW仿真模型进行验证,结果证明了所提拓扑和控制策略的有效性。     

基于模块化多电平换流器的多端口谐振型电力电子变压器

适用于直流配电网的电力电子变压器(PET)需要中压直流端口,而现有基于模块化多电平换流器(MMC)结构的PET拓扑可同时提供中压交流、中压直流、低压直流和低压交流端口,但这类PET需要四级电能变换,使得电路结构复杂,体积和重量较大。文中提出了一种适用于直流配电网的多端口MMC谐振型PET拓扑。该拓扑采用混频调制策略,同时在MMC桥臂支路中并联一组LC谐振支路、中频变压器和全桥电路实现中压直流和低压直流端口的功率解耦输出。该PET拓扑仅使用三级电能变换即可提供所需的多端口特性,具有电路结构简单、体积重量较小等优势。针对该PET拓扑,提供了等效电路分析、控制策略和参数设计方法。最后,通过仿真和实验结果验证了该PET拓扑的可行性。     

城市配网改造下中压直流配电网的供电能力分析

我国的城市配电网正面临供电能力不足的压力,中压直流配电方式的出现为城市配电网的改造提供了一个新的思路和方法。基于可靠性和适应性的要求,本文选择双极三线制作为直流配电网的接线方式。首先考虑交直流线路的过电压水平,确定了交直流配电网额定电压的关系。在此基础上,从电压损耗、功率损耗以及供电容量3个方面,对中压交、直流配电网的供电能力进行了理论推导,建立了交、直流配电网供电能力的通用模型。并以常用的中压电缆YJV-300为例,分析发现中压直流配电网的供电能力显著优于中压交流配电网。特别的,本文研究了直流配电网线路发生单极故障时的供电能力,发现其供电能力相对于交流配电网而言也具有一定的优势。     

基于固态变压器的交直流混合配电系统协调运行控制策略

基于固态变压器(solid state transformer, SST)的交直流混合配电系统对于大规模消纳可再生能源具有重要意义,可靠的控制策略是保障混合配电系统稳定运行的关键。提出了基于SST的交直流混合配电系统协调运行控制策略,子网内“源、储、荷”的控制策略可自主实现子网内部的功率平衡;低压级能够维持低压交流母线电压,并实现交直流子网的互济互助;隔离级耦合中压直流母线与低压直流母线,支撑中压直流母线电压;中压级能够构建中压交流母线电压,实现低压级与中压级的互相支撑,并且在离网和并网时均采用电压源输出形式,无需切换控制策略,配合预同步控制实现模式间的无缝切换。RTDS仿真结果表明,系统可采用统一控制策略,无通信实现基于SST的交直流混合配电系统的功率协调与多模式间无缝切换,验证了所提控制策略的有效性与可行性。     

用于分布式发电接入的交直流叠加配电网结构分析

针对分布式发电(DG)并网问题,提出了一种包含分布式发电、Z型变压器、变换器、超级电容、交流负荷和直流负荷的交直流叠加配电网拓扑。分布式发电以直流形式通过直流电压变换器和Z型变压器作为接口接入网络,使得线路同时传输直流和交流功率。为了验证交直流叠加情况下Z型变压器不会出现饱和现象,利用Ansoft软件对Z型变压器进行了磁场分析,得到Z型变压器的局部最大磁感应强度为1.73 T,硅钢片的饱和点为1.7 T,Z型变压器未出现过饱和现象。考虑到分布式发电具有输出电压较低、非连续和不稳定的特点,引入电压反馈环节控制直流电压变换器,保证线路上直流电压值恒定为1.64 k V。为了平衡分布式发电出力和直流负荷需求,引入超级电容和交直流双向变换器组成的储能系统用于调节能量平衡、作为直流功率和交流功率的桥梁,当系统发生故障时保证对负荷持续可靠供电。最后采用Matlab/Simulink仿真验证了该交直流叠加配电网系统的可行性。     

适用于交直流混联配电网的多端口柔性互联开关EI北大核心CSCD

随着分布式能源的高比例渗透和电动汽车的大量接入,传统交流配电网在电能质量、潮流调控和供电可靠性等方面面临着巨大挑战。基于柔性互联开关,构建柔性互联系统,可有效缓解上述问题。现有的中压柔性互联工程普遍采用背靠背型模块化多电平换流器(back-to-back multilevel modular converter,BTB-MMC)方案,多个MMC通过直流链路相连实现所连馈线的互联互通,并由此构建中压直流配电网,形成交直流混合配电网,以更好的消纳直流负荷,但该方案成本高、占地面积大,不利于大规模推广。因此,该文结合MMC结构特点,提出一种适用于交直流混合配电网的多端口的柔性互联开关(multi-port flexible interconnection switch,MPFIS),通过小容量模块引出多个中压交流端口互联多条中压交流馈线,通过协调控制方式实现各馈线的有功无功解耦控制。其具有的中压直流端口,可连接中压直流配电网。围绕提出的MPFIS拓扑,分析其功率调节原理、能量平衡机制,并提出相应的控制策略。接着,为阐述MPFIS方案的优势,将该方案与常规BTB-MMC方案进行对比。最后,仿真与实验结果验证了所提方案及控制策略的可行性与有效性。     

基于通用电能路由器的微电网架构及其控制方法

在中压直流作为电源的交直流混合微电网中,低压公共交直流母线为多变流器的接入提供了稳定电压。微电网通过配置电能路由器,构建低压交直流母线电压,在保障交直流系统故障隔离的前提下,可实现交直流系统功率的双向传输,提升了新能源的消纳,同时还可提高混合微电网的运行可靠性。文中提出基于通用电能路由器单元的低压微电网系统拓扑,设计了电能路由器的端口配置及控制模式,优化了电源与电网的接入,通过多机并联控制策略,有效解决了多电源并联运行稳定性问题,研究了变换器的电压一次调节、二次调节及微电网控制模式快速转换的控制方法,可有效丰富配电网的运行方式,优化光伏、风电等新能源的消纳路径。     

可变拓扑的改进型交直流混合微电网

为提高配电网非理想工况下并网的交直流混合微电网(HMG)的运行性能,提出一种可变拓扑的交直流HMG及其控制策略。首先,在HMG交流母线与配电网之间插入了串联补偿变压器(SCT),并设置对应的双功能变换器在并网运行时控制SCT实现电压补偿,而在孤岛运行时用作HMG交直流母线接口变换器。其次,在分析电路拓扑和工作模式的基础上,设计了双功能变换器与交直流母线接口变换器的解耦协调控制策略。最后,仿真和实验结果表明,在配电网电压波动、暂降和暂升工况下,所提方案能够使HMG交流母线电压保持稳定,提高了HMG的故障穿越能力和供电质量。     

适用于直流配网的故障自清除型电力电子变压器

基于MMC-ISOP电力电子变压器结构的直流配电系统发生中压直流母线双极短路故障后,若采用常规半桥型MMC子模块,交流母线会与故障点构成三相短路而产生较大故障电流损坏功率器件,后级ISOP变换器输入侧若采用直接串联方式同样无法避免输入电容对地放电问题。提出具有故障电流自清除能力MMC子模块拓扑,未提高器件数量、电容耐压等级,且保证了阻断能力。提出DAB变换器输入侧混合串联型ISOP拓扑,可有效切断故障后电容放电通路,降低电容电压应力及电感电流脉动,缩短故障后系统恢复时间。利用Simulink软件搭建了直流配网稳态及故障状态仿真模型,仿真结果验证拓扑结构有效性及理论分析准确性。     

光伏中压直流汇集系统双极短路特性分析及连锁过电压抑制

为了解决光伏中压直流汇集系统直流变压器中压侧双极短路故障问题,根据系统拓扑划分为直流线路送端和受端2种情形展开详细讨论,通过不同的故障回路计算出双极短路时网侧和机侧对短路点的故障电流分量,给系统保护的参数整定提供依据,进一步分析了其直流低压母线连锁过电压产生机理,并提出过电压的有源抑制方法,避免了光伏阵列频繁解列。仿真结果表明,换流站和直流变压器出口处配置限流电抗器可大幅降低短路电流的上升速度,通过改变光伏模块的稳态工作点可迅速抑制低压直流母线电压上升。论文研究可为中低压直流配网示范工程建设新能源汇集提供理论及技术支撑。     

新跨接双极三电平子模块拓扑及其控制策略

基于半桥型子模块拓扑的模块化多电平换流器不具备直流短路故障电流阻断能力,影响了低成本架空线的应用.为抑制直流故障时的短路电流,研究了 一种新跨接单极三电平子模块拓扑,解决了混合拓扑中电容不均衡充电问题.然后为应对子模块闭锁对换流站和电网可能产生的不利影响,设计了 一种新跨接正、负极三电平子模块拓扑,并分析了其过调制运行...     

交直流微电网互联变流器控制策略

交直流混合微电网是未来智能电网的重要组成部分,文中给出了交直流混合微电网的典型拓扑和4种运行模式,并对每种运行模式的功率平衡关系进行了详细分析。针对低压交直流微电网中阻抗比通常较大的特点,设计了适合低压微电网的电压—有功功率控制策略。对交直流混合微电网中互联变流器的功率传输关系和控制作用进行了深入分析,提出了适用于交流微电网和直流微电网之间互联的新型控制策略。根据互联变流器直流侧电容在功率交换中的作用,推导了传输功率与两侧电压之间的函数关系。在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行了仿真分析,结果表明,在混合微电网脱离大电网的情况下,互联变流器能够很好地维持交直流两侧功率平衡,保证了交直流两侧电压质量。     

微电网混合型联网变压器及其故障阻隔协调控制

交直流混合微电网（HMG）联网与优化运行中,常规工频变压器不具备短路故障阻隔和电压综合控制能力。对此,提出一种适用于HMG的混合型联网变压器（HIT）,并构建新型基于混合型联网变压器的交直流混合微电网（HIT-HMG）。介绍了HIT拓扑结构并分析其运行原理,构造新型三柱三绕组工频变压器进行电压等级变换和部分功率传输,由串联变流器实现HMG的电压和电流主动控制。对HIT及串联变流器进行数学建模,建立新型工频变压器的等效磁路模型和等效电路模型。考虑配电网不同位置与故障类型,提出HITHMG故障阻隔控制策略。对所提HIT及控制方案进行仿真和实验验证,结果表明通过控制HIT的串联绕组电压,可以阻隔中高压配电网故障对HMG的影响。     

光伏直流变压器不闭锁零电压穿越策略

针对中压直流系统双极故障下光伏直流变压器的低电压穿越问题,首先基于双有源桥和全桥隔离电路的子模块拓扑结构,分析光伏直流变压器正常运行时最大功率点追踪控制的快速实现方案。然后利用光伏电池板输出特性,提出光伏直流变压器不闭锁穿越策略,该策略对故障时长不敏感,可实现严重故障下的零电压穿越。进一步,针对故障穿越暂态过程中的过电压及子模块不均压问题,提出多控制策略间的平滑切换方案,有效降低暂态过程中的过电压现象,改善子模块间的均压效果。最后在MATLAB/Simulink环境中搭建仿真模型,验证所提策略的有效性。     

应用于船舶中压直流系统的电力电子配电变压器

中压直流系统适合应用于大型船舶,能够减少系统体积重量,提升运行能效。但是目前直流断路器和直流配电研究进展缓慢,限制了直流系统的应用。电力电子变压器由电力电子变换器和高频变换器组成,拥有高效率和高功率密度的特点,适用于船载的配电应用。在分析对比了几种直流变压器拓扑的基础上,提出将串联输入并联输出(ISOP)双主动桥(DAB)变换器用作船载配电变压器,研究了该拓扑的调制和控制方案,并通过实验进行了验证。